17．1能量量子化：物理学的新纪元

如皋市薛窑中学09-10学年高二物理教学案第十七章 波粒二象性171 能量量子化：物理学的新纪元学习目标：1了解什么是热辐射及热辐射的特性，了解黑体与黑体辐射 2了解黑体辐射的实验规律，了解黑体热辐射的强度与波长的关系3了解能量子的概念学习过程：活动一：阅读下文，了解量子力学的诞生19世纪末页，牛顿定律在各个领域里都取得了很大的成功：在机械运动方面不用说，在分子物理方面，成功地解释了温度、压强、气体的内能。在电磁学方面，建立了一个能推断一切电磁现象的 Maxwell方程。另外还找到了力、电、光、声-等都遵循的规律能量转化与守恒定律。当时许多物理学家都沉醉于这些成绩和胜利之中。他们认为物理学已经发展到头了。1900年，在英国皇家学会的新年庆祝会上，著名物理学家开尔文作了展望新世纪的发言：“科学的大厦已经基本完成，后辈的物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了。”也就是说：物理学已经没有什么新东西了，后一辈只要把做过的实验再做一做，在实验数据的小数点后面在加几位罢了！但开尔文毕竟是一位重视现实和有眼力的科学家，就在上面提到的文章中他还讲到：“但是，在物理学晴朗天空的远处，还有两朵令人不安的乌云，-”这两朵乌云是指什么呢？一朵与黑体辐射有关，另一朵与迈克尔逊莫雷实验有关。然而， 事隔不到一年（1900年底），就从第一朵乌云中降生了量子论，紧接着（1905年）从第二朵乌云中降生了相对论。经典物理学的大厦被彻底动摇，物理学发展到了一个更为辽阔的领域。正可谓“山重水复疑无路， 柳暗花明又一村”。活动二：黑体与黑体辐射1黑体与黑体辐射（1）热辐射现象固体或液体，在任何温度下都在发射各种波长的电磁波，这种由于物体中的分子、原子受到激发而发射，所辐射电磁波的特征与温度有关。这种与温度有关的辐射称为热辐射。热辐射的特点：温度不同时，辐射的波长（或频率）分布不同。例如：铁块 温度 从看不出发光到暗红到赤红到橘红到黄白色。从能量转化的角度来认识，是热能转化为电磁能的过程。（2）黑体除了热辐射之外，物体表面还会吸收和反射外界射来的电磁波。不同的物体吸收和反射电磁波的能力是不一样的。能全部吸收各种波长的电磁波而不发生反射的物体，称为绝对黑体，简称黑体。右图为一黑体模型。2黑体辐射的实验规律结合课本P28图17.1-2，了解黑体辐射的实验规律：黑体热辐射的强度与 有关：随着温度的升高，一方面，各种波长的辐射强度都有 ，另一方面，辐射强度的极大值向波长较 的方向移动。在新的理论诞生之前，人们很自然地要依据热力学和电磁学规律来解释。德国物理学家维恩和英国物理学家瑞利分别提出了辐射强度按波长分布的理论公式（由公式所得到的图象如下）。维恩得出的辐射强度曲线在短波段与实验曲线较吻合，而瑞利和金斯得出的曲线在长波段相吻合，短波段辐射强度却趋于无限大，这种结果不仅与实验规律不符，甚至得出了非常荒谬的结论，当时被称为“紫外灾难”。活动三：能量子：超越牛顿的发现1材料阅读：利用已有的理论解释黑体辐射的规律，导致了荒谬的结果。必然会促使人们去发现新的理论，这就是能量子概念。1900年，德国物理学家普朗克提出能量量子化假说：辐射黑体分子、原子的振动可看作谐振子，这些谐振子可以发射和吸收辐射能。但是这些谐振子只能处于某些分立的状态，在这些状态中，谐振子的能量并不象经典物理学所允许的可具有任意值。相应的能量是某一最小能量（称为能量子）的整数倍，即：， 1，2，3，. n，（n为正整数，称为量子数）。对于频率为的谐振子最小能量为这个最小能量值，就叫做能量子。普朗克后来又为这种与经典物理格格不入的观念深感不安，只是在经过十多年的努力证明任何复归于经典物理的企图都以失败而告终之后，他才坚定地相信h的引入确实反映了新理论的本质。1918年普朗克荣获了诺贝尔物理学奖。29年后，普朗克去世，他的碑文上只刻着他的姓名和那引领人们进入物理学新纪元的黑体辐射的研究卓有成效地展现在人们的眼前，紫外灾难的疑点找到了，